ofsp2024-05 场初步

Created time

Jul 10, 2025 11:09 AM

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summary

场的创建

有单位量

dimensionSet

前文用到了 OpenFOAM 的单位预设，其定义在 $FOAM_SRC/OpenFOAM/dimensionSet/dimensionSets.C ，文件中还定义了很多预设单位

回忆 OpenFOAM 的单位设置为 [质量, 长度, 时间, 温度, 摩尔, 电流, 光强] 。

我们可以设置自定义变量的物理单位，如

dimensionedType

在 OpenFOAM 代码中可以看到如下类似语句

查找源代码如下

找到并摘取其中的构造函数如下

OpenFOAM 中还提供了其他的构造函数，我们可以在不同情况下构造自己的有单位物理量。目前阶段来说，我们不需要继续深挖源代码。点到为止，明白确实可以这样用，并且以后按照这种方式去用就可以了。

当然，dimensionedType.H 也定义了配套的成员函数，比如

由此，我们可以便捷的使用 value() 成员函数，例如对上面的 airPressure 取值，再计算最大值

注意，OpenFOAM 会检查数学计算式等号两遍的最终单位是否相同，如果不同则会强制报错并中断程序，后续代码会面临并解决这个问题。

volFields

我们会注意到 OpenFOAM 中有典型的语句如下

那么 volScalarField 是什么呢？又是如何构造场的呢？

我们讨论一下场是怎么被创建的。

也许有同学疑惑“我怎么知道要查看这个文件”。参考 OpenFOAM开发编程基础03 时间类初步 | 𝓐𝓮𝓻𝓸𝓼𝓪𝓷𝓭 (aerosand.cn) 第一节，安装 OFextension 插件后，直接在 volScalarField 关键字上右键跳转即可。也可以打开 OpenFOAM Doxygen （OpenFOAM: User Guide: OpenFOAM®: Open source CFD : Documentation），查询相关关键字。除特殊情况，以后不再赘述。

volFieldFwd.H 中有类型定义如下

可以看到，volFields 包括常见的 volScalarField 和 volVectorField，是体积场量。无论是 volScalarField 还是 volVectorField 其实都是 GeometricField 的模板的不同情况。所以， volFields 只是一种分类的称呼，而不是真正的类。

surfaceFields

同样的，面场量 surfaceFields 包括常见的 surfaceScalarField 和 surfaceVectorField 。

surfaceFieldFwd.H 中有类型定义如下

可见，surfaceFields 也是 GeometricField 的模板的不同情况。

surfaceFields 的 surface 都可以写完整，为什么 volFields 的 volume 要简写成 vol 呢？也许是历史代码的原因吧。。。

GeometricField

进一步的，我们查看 GeometricField.H 文件

摘取类的主要结构和几个常用构造函数如下

上述构造函数，对应实际的场的构造，分别举例如下

这三个例子对应了最常见的场的构造函数，暂时明白这三个即可。其他构造函数以及更深入的代码层面的解析在以后会陆续介绍，无需担心。读者也可以尝试多阅读几个。

场的时间推进

我们以压力场为例，结合场的创建，讨论一下场的时间推进计算。

应用准备

脚本和说明

略。

单时间步计算

主源码

编译运行

注意到主源码中的场的覆写是不区分初始时间步和后续时间步的，而且 foamCleanTutorials 命令不能恢复初始时间步文件夹内的场文件的内容。所以，为了避免初始条件被覆盖，强烈推荐备份初始条件。一旦初始场被覆盖，可以随时复原。操作如下

编译运行，结果如下

查看 debug_case/ 文件夹下，多了 0.005/ 文件夹，其中的 0.005/p 文件中写入了计算的场。最后的输出就是最新时间步的场的值。

多时间步计算

如何计算多个时间步呢？

主源码

主源码修改如下

关于写成 ++runTime 而不是 runTime++ 的讨论
在 C++ 中，原则上前置 ++ 的效率更高
参考 post increment - Incrementing in C++ - When to use x++ or ++x? - Stack Overflow

编译运行

注意要先清理算例，避免错误，以后不再赘述。

编译运行，结果如下

观察 debug_case/ 文件夹下多了三个时间步的文件夹，如下

查看各个时间步的压力场值，可以知道终端最后输出的值为最新时间步的计算值。

字典控制计算

即使是多时间步计算，我们也是直接修改主源码的计算时间步个数，每次修改都要重新编译整个应用。如果是大型应用，重新编译会相当麻烦。

在实际工作中，我们希望在应用编译完成后，也可以通过外部文件去控制计算，也就是使用 OpenFOAM 的字典文件 controlDict 控制计算。

主源码

主源码修改如下

编译运行

清理调试算例，重新编译运行，结果如下

调试算例 debug_case/ 文件多了几个时间步文件夹，分别是 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5，写入的时间步正好由 system/controlDict 控制。

controlDict 字典的部分参数如下（每 0.005*20 = 0.1 写入一次）

这些参数都可以随时修改调试，无需重新编译应用。

场的基本操作

下面我们伪计算压力场、温度场、速度场。

求出网格单元和参考点的最大距离

根据时间、网格单元向量、参考向量、最大距离这 4 个参数计算压力场

根据压力梯度通过量纲处理，计算速度场

应用准备

脚本和说明

略。

增加物理场

拷贝过来的调试算例并没有温度场，我们给算例添加初始温度场。

温度和压力一样是标量，所以先拷贝压力场文件再修改。

温度场初始条件 debug_case/0/T，内容如下

主源码

编译运行，结果如下

使用 paraview 将计算结果可视化。注意打开需要路径

注意到 debug_case/ 的时间步文件夹下新建了很多场文件，以 debug_case/0.3/ 为例，其文件结构如下

可以查看各个场文件中的数值。

注意：
打开 0.3/phi 可以看到并没有计算更新值，其他非 p,U 文件也没有计算更新值。这是因为场在创建时候给定的计算公式只是初始化，并不会随着时间推进而计算更新。所以，需要在主源码的时间循环中去计算需要的场。

代码整理

在 OpenFOAM 实际应用中，一般的

“场的接入”放入单独的文件 createFields.H

OpenFOAM 本身提供 createPhi.H

自定义方法也放入单独文件，如 calculatePressure.H

所以该应用的文件结构调整后为

场接入文件 createFields.H 为

自定义方法 calculatePressure.H 为

最终主源码整理为

整理后的这种形式更接近 OpenFOAM 求解器等应用的代码组织形式。

主源码功能划分非常清晰

每个功能都更加易于维护

编译运行结果当然还是一样的。

小结

回顾这 5 篇讨论，我们大概可以感受到数值计算的核心要素所在——时间、网格、物理场。有了这些对象之后，我们便可以组建线性代数方程，进行数值求解。不要着急，我们距离求解器编程越来越近了。

💡

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